JKY型矿井液压绞车自动控制设计分析

总第194期2019年第6期

机械管理幵发

MECHANICAL M ANAGEM ENT AND DEVELOPMENT

Total 194

N〇.6, 2019

自动化技术与iS i+D01:10.16525/ l4-1134/th.2019.06.094 JK Y型矿井液压绞车自动控制设计分析

赵瑞

(山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西兴县033602)

摘要：针对矿井液压绞车开环控制系统缺乏反馈功能，稳定性、可靠性低等问题，提出了以单片机和P I D控

制器为核心的液压控制系统。并对液压绞车的提升、下降和制动自动控制流程和元件进行了分析，仿真模拟研

究了自动控制下改变速度对电机转速的影响.结果表明，该液压自动控制系统可以对液压绞车运行速度进行

调节，使得J K Y型液压绞车运行稳定可靠，这对矿井提升运输具有重要的生产意义..

关键词：液压绞车单片机PID控制器自动控制

中图分类号:TD265 文献标识码：A文章编号：1003-773X(2019)06-0211-03

引言

由于矿井液压绞车开环控制系统缺乏反馈功

能，运行的稳定性和准确性会受到操作者的经验影

响，致使控制效果差，经常导致失误，而且操控者需

要丰富的经验才能驾驭。因此,有关学者设计了实现

反馈功能的PID闭环控制系统。然而，当绞车的速

度提高以后，驾驶绞车的操作者仍需要手动调节，调

速过程的稳定性仍然取决于驾驶员的经验[1—2]。针对 这个情况提出一种液压控制系统，从而实现对绞车 的自动控制。该系统的核心是单片机和PID控制器。当绞车速度调节的幅度较大时，操作者将目标速度 输入到系统中，单片机将目标速度设为多个不同的 阶段速度。利用PID的协同作用，对液压绞车的速 度实现自动调节,通过这种方式，可以实现对绞车的 速度控制，从而降低了操作者的工作强度[3]。

1JK Y型液压绞车自动控制原理

1.1绞车自动控制原理

在液压绞车中，其结构部件较多,通常有液压马 达、制动器、齿轮箱、机架、离合器等。在煤矿运输中，大多数液压绞车仍采用开环手动控制方式[4]。为了 改善液压绞车控制方式，以JK Y型液压绞车为例对 其控制方式进行设计，希望通过设计达到优良的控 制效果，确保安全性和工作效率，设计的JK Y型液 压绞车自动控制系统工作原理如图1所示。在工作 中，操作人员通过控制手柄控制变量泵的排量，最终 实现对绞车速度的改变[5]。

在工作过程中，液压绞车主要具有3种功能，分 别是提升、下降和制动。单片机通过判断输入信号，对绞车的状态进行判断，然后输出相应的指令。液压 绞车控制逻辑判断流程如图2所示。

收稿日期：2019-()4-01

作者简介:赵瑞（1988—），男，毕业于天津科技大学电气工程及 其自动化专业。

图1液压绞车自动控制系统原理图

图2液压绞车控制逻辑判断流程

当抬起重物时，控制手柄向上推，此时输入提升 速度，双位双向电磁阀的伺服全开，处于正确位置，液压制动器释放，液压发动机旋转，从而实现重物的 提升,此时单片机和H D会共同合作，来调整卷筒的 速度，直至达到控制手柄的输人速度;需要下放重物 时，控制手柄向下推，此时单片机输入下降速度，得 到指令后，三位三通电磁阀立即关闭，两侧的两位三 通电磁阀处于工作状态，此时液压制动器会松闸，电机进行反转下放物体[6]。其中，如果绞车要停车时，需 要在控制手柄，在单片机中输入0,单片机就会发生 指令，H D控制器接受到信号以后，会将卷筒的转速 调整到0,并且对控制器进行控制，使其开始制动。当绞车停止制动以后，需要对制动拉杆拉下，电磁阀处 于断电状态，

最终实现制动功能。

•212.

机械管理开发

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第34卷

图3

仿真模拟自动控制7s 内电机转速变化曲线

时间/s

图4

仿真模拟自动控制25 s 内电机转速变化曲线

曲线。

从图3中可以看出，当输人速度从0变为-40 r /min ，电机的制动会产生延迟，约为1.5 s ，并且在整 个下降过程中，没有大的速度波动。此时，系统会自 动调整速度。在4 3后，液压马达速度最终为-39.7

r /min ，误差不足 1 r /min 。

在图4中，可知当绞车运行速度从-50 r /min 变 为0时，单片机会将目标速度分为三级，分别是-30 r /min ,-10 r /min ,0。其中，在第一阶段,PID 控制器会 进行控制作用，调整绞车的速度，首先从-50 r/m in 调节到-30 r /min ,持续1 s 的时间。在第二阶段，在 第一阶段速度的基础上,将速度调整为-10 r /min ,持 续I s 的时间。在第三阶段，将第二阶段的速度进行 调整，达到0。整个过程会消耗约10 s 的时间，最终 将绞车的速度变为0。

通过对重物自动控制和对变速液压绞车的仿真 分析，结果表明，当重物降低，或者进行大幅调速时， 控制系统可以自动将绞车速度调节到目标速度，整 个过程都比较平稳。通过对〗KY 型液压绞车自动控 制系统设计研究，要想使液压绞车稳定运行,达到下 放和升降重物理想速度的目的，对绞车电机速度控 制是关键，而实现此功能的核心元件便是单片机和 PID 控制器。3

结论

1)采用单片机和PID 控制器为核心的自动控制

系统，液压绞车的提升、下降和制动功能通过输入信 号，单片机对绞车的状态进行判断并分解目标速度、发

1.2调速原理

JKY 型液压绞车自动控制在操作人员控制手柄 下，单片机输入目标转速，单片机内部程序启动，利 用模数转换器来读取和提取接收到的信息，在内部 程序控制下与电机转速做差，用A w 表示。如果电机当前的转速和设定的目标转速的方向 一致，用A w 的绝对值除以20 r /min 就可以得出目 标转速，得到的数值进行取整，用i 表示。同时，单片 机在内部程序当中对目标转速分成U +1)个阶段目 标。其中，在前面i 个阶段中，可以将时间保持在1 s。 如果是正数，那么在第l .s 中，可以将阶段目标 转速设定为在当前电机的转速的基础上每分钟提高 20转。在第2 s 时，可以在第1 s 的基础上再次增加

20转，以此类推。如果A w 是负时，那么在前i 秒 中，可以在(i -l )s 的基础上每分钟减少20转。然后 在第s 后，就可以达到了目标转速。

如果目标速度与当前速度方向相反时，将其分 成两个大的阶段，从而对目标速度进行划分。在第一 个阶段中，设定目标速度为〇,同时与当前电机的转 速差是Aw ，然后根据转速差对目标转速进行划分。 第二个大阶段中，将目标速度输入单片机中，人工控 制手柄，此时的差值为〇,然后找到Aw ,并再次分割 目标速度。如果每个大相位的目标速度分割与当转 速相同时，则其目标速度分割过程也一致。

当单片机完成目标转速切割后，在不同的阶段 中，单片机都会根据所处的阶段来设置目标后，可以 利用角速度传感器，来对电机的转速进行计算和测 量，得到转速误差信号，从而将信号传送给PID 控制 器。此时，JKY 型液压绞车就会调整自身的转速，最 终达到目标转速。在经历了 G +1)次调整以后，电机 最后会达到预期的目标转速。这整个速度调节与控 制便是自动控制系统的调速原理。2仿真模拟研究 2.1建立仿真模型

在AMESim 中建立仿真模型模拟液压绞车自动 控制系统[7]。模型建立后，在仿真模型中设置PID 控 制器需要控制的目标参数，将液压绞车控制压力设 定为600 kg ,分别对电机输入速度直接从0变化到 -40 r /min 和速度从-50 r /min 变为0的过程进行测 试。其中，模拟时间设定为7 s、25 s 。2.2结果分析

在模拟时间为7 s 内，图3表示当电机输人速度 从〇变为-40 r /min 时，JKY 型液压绞车自动控制下 电机随时间的转速变化曲线。在模拟时间为25 s 内, 图4表示当电机输人速度从-50 r /min 变为0时， JKY

型液压绞车自动控制下电机随时间的转速变化